DE10157962C1 - Komparator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Komparator mit einer Differenzverstärkerstufe, die zwei am Emitteranschluß zusammengeschaltete bipolare Transistoren (10, 12), deren Basisanschlüsse die beiden Eingänge des Komparators bilden, ein mit dem Kollektoranschluß des ersten bipolaren Transistors (10) verbundenes erstes Lastelement (R1) und ein mit dem Kollektoranschluß des zweiten bipolaren Transistors (12) verbundenes zweites Lastelement (R2) umfaßt. Der erfindungsgemäße Komparator zeichnet sich dadurch aus, daß er darüber hinaus einen ersten MOSFET (M1) und einen zweiten MOSFET (M2) umfaßt, ein Schaltungspunkt, an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am ersten Lastelement (R1) abfallende Spannung (VA1) auftritt, mit dem Sourceanschluß des ersten MOSFETs (M1) und dem Backgateanschluß des zweiten MOSFETs (M2) verbunden ist, der Schaltungspunkt, an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am zweiten Lastelement (R2) abfallende Spannung (VA2) auftritt, mit dem Sourceanschluß des zweiten MOSFETs (M2) und dem Backgateanschluß des ersten MOSFETs (M1) verbunden ist, und der Drainanschluß des zweiten MOSFETs (M2) den Ausgang (Vout) des Komparators bildet. Die besonderen Vorteile des Komparators liegen darin, daß er neben der geringen Offsetspannung einer mit bipolaren Transistoren Differenzverstärkerstufe einen geringen Stromverbrauch und eine sehr kurze Ansprechzeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Komparator mit einer Differenzverstärkerstufe, die zwei am Emitteranschluß zusammengeschaltete bipolare Transistoren (10, 12), deren Basisanschlüsse die beiden Eingänge des Komparators bilden, ein mit dem Kollektoranschluß des ersten bipolaren Transistors (10) verbundenes erstes La­ stelement (R1) und ein mit dem Kollektoranschluß des zweiten bipolaren Transi­ stors (12) verbundenes zweites Lastelement (R2) umfaßt.

Komparatoren auf der Basis von Differenzverstärkern mit bipolaren Transistoren haben ein weites Einsatzgebiet. Für manche Einsatzzwecke ist es wichtig, daß die Schaltzeit des Komparators einen gewissen Wert nicht überschreitet, ohne daß die Vorteile des bipolaren Transistors, nämlich die geringe Offsetspannung der Diffe­ renzverstärkerstufe und hohe Verstärkung aufgegeben werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen eingangs genannten Komparator so zu gestalten, daß er eine besonders kurze Ansprechzeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Komparator dadurch gelöst, daß der Komparator darüber hinaus einen ersten MOSFET (M1) und einen zweiten MOSFET (M2) umfaßt, ein Schaltungspunkt, an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am ersten Lastelement (R1) abfallende Spannung (VA1) auftritt, mit dem Sourceanschluß des ersten MOSFETs (M1) und dem Backgateanschluß des zweiten MOSFETs (M2) verbunden ist, der Schaltungs­ punkt, an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am zweiten Lastelement (R2) abfallende Spannung (VA2) auftritt, mit dem Sourceanschluß des zweiten MOSFETs (M2) und dem Backgateanschluß des ersten MOSFETs (M1) verbunden ist, und der Drainanschluß des zweiten MOSFETs (M2) den Ausgang (Vout) des Komparators bildet.

Der erfindungsgemäße Komparator erreicht eine sehr kurze Schaltzeit dadurch, daß das Ausgangssignal des mit bipolaren Transistoren mit großer Verstärkung aufgebauten Differenzverstärkers zur Steuerung eines MOSFETs am Ausgang verwendet wird, der mit diesem Signal sowohl über das Gate als auch über das Backgate, d. h. den Substratanschluß des MOSFETs angesteuert wird. Durch die Verwendung von MOSFETs am Ausgang und die beschriebene Backgateansteue­ rung wird zudem ein sehr geringer Stromverbrauch des Komparators möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Komparators gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung hervor.

Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Komparators.

Der vorzugsweise in integrierter hergestellte erfindungsgemäße Komparator um­ faßt zunächst eine herkömmliche Differenzverstärkerstufe, die zwei am Emitte­ ranschluß zusammengeschaltete baugleiche bipolare Transistoren 10 und 12 auf­ weist, deren Basisanschlüsse mit den beiden Eingängen des Komparators ver­ bunden sind. Die beiden bipolaren Transistoren 10 und 12 werden über eine ge­ meinsame Konstantstromquelle I0 (= dritte Konstantstromquelle) gespeist, die zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Emitter der bipolaren Transistoren und Masse (GND) liegt. Anstelle der Konstantstromquelle I0 kann auch ein Wi­ derstand verwendet werden.

Die Differenzverstärkerstufe des Komparators weist darüber hinaus einen ersten Widerstand R1 auf, der zwischen der Versorgungsspannung VDD und dem Kol­ lektoranschluß des ersten bipolaren Transistors 10 liegt und einen mit dem ersten Widerstand baugleichen zweiten Widerstand R2 auf, der zwischen der Versor­ gungsspannung VDD und dem Kollektoranschluß des zweiten bipolaren Transi­ stors 12 liegt. Anstelle der beiden Widerstände können auch aktive Lastelemente wie Stromquellen und Stromspiegel verwendet werden, was im Stand der Technik bekannt ist.

Der erfindungsgemäße Komparator weist darüber hinaus einen ersten MOSFET M1 auf, bei dem es sich um einen P-MOSFET handelt, dessen Sourceanschluß mit dem Kollektoranschluß des ersten bipolaren Transistors 10 verbunden ist und dessen Drainanschluß mit einer ersten Konstantstromquelle I1 verbunden ist, die an Masse GND liegt.

Der erfindungsgemäße Komparator weist darüber hinaus einen mit dem ersten MOSFET M1 baugleichen zweiten P-MOSFET M2 auf, dessen Sourceanschluß mit dem Kollektoranschluß des zweiten bipolaren Transistors 12 verbunden ist und dessen Drainanschluß mit einer zweiten Konstantstromquelle I2 verbunden ist, die an Masse GND liegt und einen gleichen Strom liefert wie die erste Kon­ stantstromquelle I1.

Die Gateanschlüsse der beiden MOSFETs M1 und M2 sind miteinander verbun­ den, wobei der Gateanschluß des ersten MOSFETs mit der ersten Konstantstrom­ quelle verbunden ist, so daß die Gates der beiden MOSFETs auf gleichem Poten­ tial liegen.

Der Schaltungspunkt (Kollektor des ersten bipolaren Transistors 10), an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am ersten Lastelement R1 ab­ fallende Spannung VA1 auftritt, ist mit dem Sourceanschluß des ersten MOSFETs M1 und dem Backgateanschluß (= Substratanschluß) des zweiten MOSFETs M2 verbunden.

Der Schaltungspunkt (Kollektor des zweiten bipolaren Transistors 12), an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am zweiten Lastelement R2 abfallende Spannung VA2 auftritt, ist mit dem Sourceanschluß des zweiten MOSFETs M2 und dem Backgateanschluß (= Substratanschluß) des ersten MOS- FETs M1 verbunden.

Der Drainanschluß des zweiten MOSFETs M2 ist mit dem Ausgang des Kompa­ rators verbunden, an dem eine Spannung Vout auftritt.

Im folgenden wird kurz die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Komparators beschrieben.

Steigt z. B. an den Eingängen des Komparators eine an dem Basisanschluß des ersten bipolaren Transistors 10 liegende Spannung V1 über eine an dem Basisan­ schluß des zweiten bipolaren Transistors 12 anliegende Spannung V2 (Annahme = 0 V) an, mit der die Spannung V1 verglichen werden soll, so sinkt die am Wi­ derstand R1 abfallende Spannung VA1 und die am Widerstand R2 abfallende Spannung VA2 steigt an.

Die am Widerstand R2 liegende ansteigende Spannung VA2 gelangt an die Sour­ ce des MOSFETs M2, so daß dessen Gate-Source-Spannung negativer wird und der MOSFET allmählich durchschaltet. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt und beschleunigt, daß der MOSFET M2 zudem über seinen Backgateanschluß gesteuert wird, an dem nun die gefallene Spannung VA1 anliegt, so daß sich die Substrat-Source-Spannung des MOSFETs M2 verändert und der MOSFET M2 umso schneller durchschaltet.

Durch das Durchschalten des MOSFETs M2 steigt am Ausgang des Komparators die Spannung Vout an und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, daß anzeigt, daß die an dem Basisanschluß des ersten bipolaren Transistors 10 liegende Spannung V1 über die an dem Basisanschluß des zweiten bipolaren Transistors 12 anliegen­ de Spannung V2 gestiegen ist.

Falls die an dem Basisanschluß des ersten bipolaren Transistors 10 liegende Spannung V1 unter die an dem Basisanschluß des zweiten bipolaren Transistors 12 anliegende Spannung V2 fällt, läuft der Vorgang analog in umgekehrter Weise ab und der Komparator gibt in diesem Fall ein anderes Ausgangssignal ab.

Der symmetrische Aufbau des Komparators garantiert eine weitgehende Unab­ hängigkeit von Temperatureinflüssen auf die Schaltung.

Claims (6)

1. Komparator mit einer Differenzverstärkerstufe, die zwei am Emitter­ anschluß zusammengeschaltete bipolare Transistoren (10, 12), deren Basisanschlüsse die beiden Eingänge des Komparators bilden, ein mit dem Kollektoranschluß des ersten bipolaren Transistors (10) verbundenes erstes Lastelement (R1) und ein mit dem Kollektoranschluß des zweiten bipolaren Transistors (12) verbundenes zweites Lastelement (R2) umfaßt, wobei der Komparator darüber hinaus einen ersten MOSFET (M1) und einen zweiten MOSFET (M2) umfaßt, ein Schaltungspunkt, an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am ersten Lastelement (R1) abfallende Spannung (VA1) auftritt, mit dem Sourceanschluß des ersten MOSFETs (M1) und dem Backgateanschluß des zweiten MOSFETs (M2) verbunden ist, der Schaltungs­ punkt, an dem die während des Betriebs der Differenzverstärkerstufe am zweiten Lastelement (R2) abfallende Spannung (VA2) auftritt, mit dem Sourceanschluß des zweiten MOSFETs (M2) und dem Backgateanschluß des ersten MOSFETs (M1) verbunden ist, und der Drainanschluß des zweiten MOSFETs (M2) den Ausgang (Vout) des Komparators bildet.

2. Komparator nach Anspruch 1, bei dem darüber hinaus eine erste Konstant­ stromquelle (I1) vorgesehen ist, die mit dem Drainanschluß des ersten MOSFETs (M1) verbunden ist, und eine zweite Konstantstromquelle (I2) vorgesehen, die mit dem Drainanschluß des zweiten MOSFETs (M2) verbunden ist und den gleichen Strom wie die erste Konstantstromquelle (I1) liefert.

3. Komparator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gateanschlüsse der beiden MOSFETs (M1, M2) miteinander verbunden sind und der Gateanschluß des er­ sten MOSFETs (M1) mit der ersten Konstantstromquelle (I1) verbunden ist.

4. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bipolaren Transistoren (10, 12) aus einer gemeinsamen dritten Konstantstromquelle (I0) gespeist werden.

5. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lastele­ mente aus Widerständen (R1, R2) bestehen.

6. Komparator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Lastelemente aus aktiven Lasten bestehen.